1、直流電機PID閉環(huán)數(shù)字控制器設(shè)計姓名： 學(xué)院：實驗內(nèi)容：直流電機pid閉環(huán)數(shù)字控制器設(shè)計 2015年4月12日實驗地點：實驗?zāi)康模?鞏固閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本概念。2了解閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋量的引入方法。3掌握PID算法數(shù)字化的方法和編程及不同PID算法的優(yōu)缺點。實驗設(shè)備與軟件：1. labACT實驗臺2. MATLAB軟件3. labACT軟件實驗原理： 1、PID控制原理按偏差的比例、積分、微分控制(簡稱PID控制)是過程控制中應(yīng)用最廣的一種控制規(guī)則。由PID控制規(guī)則構(gòu)成的PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器。這種調(diào)節(jié)器將設(shè)定值U與實際輸出值Y構(gòu)成控制偏差(e=UY)的比例(P)、微分(D)、積分(I)

2、的線性組合作為輸出的控制量進行控制 (1)式中，調(diào)節(jié)器的輸出信號；調(diào)節(jié)器的偏差信號；調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)；調(diào)節(jié)器的微分時間常數(shù)。圖 1 PID控制原理框圖下面介紹比例、積分、微分各自的作用。比例調(diào)節(jié)作用：按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：消除穩(wěn)態(tài)誤差。有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強；反之，Ti大則積分作用弱。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定

3、性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢，即積分作用使響應(yīng)滯后。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，能預(yù)見偏差變化的趨勢，能產(chǎn)生超前的控制作用。在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化或變化非常緩慢時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。在實際應(yīng)用中，根據(jù)對象特征和控制要求，控制器可以為P、PI、PD、PID。 PID參數(shù)經(jīng)驗整定原則是在輸出不振蕩

4、時，增大比例增益，減小積分時間常數(shù)，增大微分時間常數(shù)。基此，其經(jīng)驗整定口決為：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查，先是比例后積分，最后再把微分加，曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大(即比例增益要變小)，曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳(即比例增益要變大)，曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降，曲線波動周期長，積分時間再加長，曲線振蕩頻率快，先把微分降下來，動差大來波動慢，微分時間應(yīng)加長，理想曲線兩個波，前高后低4:1，一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低。2、PID算法的數(shù)字實現(xiàn)與經(jīng)驗整定(1)標(biāo)準(zhǔn)PID算法由于本次實驗采用的計算機控制系統(tǒng)是一種時間離散控制系統(tǒng)。因此，為了用計算機實現(xiàn)PID控制必須將其離散化，用數(shù)

5、字形式的差分方程來代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程 (2)式中：采樣周期(本實驗?zāi)J為5ms)；第n次采樣時計算機輸出；第n次采樣時的偏差值；第n-1次采樣時的偏差值。 令積分系數(shù)，微分系數(shù)，則PID位置控制算式表達式可寫成 (3)容易將上式轉(zhuǎn)化成增量算式 (4) (2)積分分離PID控制算法在控制過程中，只要系統(tǒng)存在偏差，積分的作用就會繼續(xù)，當(dāng)偏差較大或累加積分項太快時，就會出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，甚至引起振蕩，這對某些生產(chǎn)過程是絕對不允許的。引進積分分離法，既保持了積分的作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有了較大的改善。令積分分離法中的積分分離閥值為。當(dāng)超過設(shè)定參考值偏差時（偏差值比較大時

6、），采用PD控制；當(dāng)超過設(shè)定參考值偏差時（偏差值比較小時），采用PID控制。積分分離法PID算法可表示為 (5)式中， 。(3)不完全微分PID算法 微分作用容易引起高頻干擾，因此通常在典型PID后串接一個低通濾波器(一階慣性環(huán)節(jié))來抑制高頻干擾，微分作用能在各個周期按照偏差變化趨勢，均勻地輸出，真正起到微分作用，改善系統(tǒng)性能。由此得到的PID算法稱為不完全微分PID算法，其表達式為 (6)式中， 。 3直流電機的閉環(huán)調(diào)速原理 直流電機的閉環(huán)調(diào)速原理框圖如下圖。本實驗采用labACT平臺上數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(B2)(DA0832)、直流電機模塊(C2)(直流電機BY25及光電斷續(xù)器測速)、定時器/中

7、斷單元(B9)(8253定時器、中斷控制器8259中的輸入IRQ6，IRQ7)、驅(qū)動電路、CPU8088及其接口。當(dāng)給定直流電機轉(zhuǎn)速(即在速度示波器的界面上設(shè)置目標(biāo)值)，與當(dāng)前轉(zhuǎn)速值(光電測速機構(gòu)的脈沖數(shù)測出)相比較，其差值e(n)在計算機中進行PID計算，解算成y(n)，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(B2)轉(zhuǎn)換驅(qū)動直流電機，改變電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)直流電機閉環(huán)調(diào)速控制。下面分別詳細介紹直流電機的驅(qū)動與調(diào)速和直流電機的測速。圖 2 直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖基本實驗與分析：(1)通過給定的電機模型公式(7)，在Simulink中搭建直流電機閉環(huán)調(diào)速的仿真模型，分析PID參數(shù)對響應(yīng)的影響并選擇其中一組較好的PID參

8、數(shù)(參數(shù)范圍要滿足實驗操作中的要求，比如Kp=0.8,Ti=80ms，Td=100ms)，為在LabACT上實驗提供大致的依據(jù)。在仿真實驗當(dāng)中，如果直流電機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，時快時慢，應(yīng)該如何調(diào)節(jié)參數(shù)使轉(zhuǎn)速盡快穩(wěn)定？如果轉(zhuǎn)速沒達到設(shè)定值，應(yīng)該怎樣調(diào)節(jié)參數(shù)？如果要轉(zhuǎn)速快速地跟隨設(shè)定值變化，又該如何調(diào)整參數(shù)？ 下圖為搭建仿真模型時需添加的一些標(biāo)度變換環(huán)節(jié)(、及對象已給出，僅需按下圖搭建仿真模型，PID部分需同學(xué)們自行編寫)，,(將實際轉(zhuǎn)速誤差轉(zhuǎn)換為數(shù)字量),(將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為010V電壓)，飽和非線性環(huán)節(jié)(上限為127，下限為8)。圖 6 Simulink仿真基本程序圖(2) PID函數(shù)實驗程序：intp

9、id(intP,intI,intD,intE)intKI,KD,KP,U;KP=P;KI=5*KP/I;KD=D*P/5;II=II+E;U=KP*E+KD*(E-E0)+KI*II;E0=E;returnU;(3)觀察波形并記錄相同PID參數(shù)下(根據(jù)PID參數(shù)經(jīng)驗整定方法選擇一組較好的PID參數(shù)，想想需要達到的一般指標(biāo))，設(shè)定值從250轉(zhuǎn)/min躍變到不同轉(zhuǎn)速下的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，并對結(jié)果進行解釋。(一些LABACT實驗箱電機特性很差，電機調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速不一定能達到2500轉(zhuǎn)/min，同學(xué)們應(yīng)根據(jù)個人實際選擇測量五種躍變情況，下面是示例點)躍變(50轉(zhuǎn)/min)超調(diào)量(%)峰值時間tp (s)調(diào)整時間ts (s)穩(wěn)態(tài)誤差(轉(zhuǎn)/min)實驗測得圖形17.20.420.781627.60.50.751634.750.650.961239.840.871.2220設(shè)定值從250轉(zhuǎn)/min躍變到1000轉(zhuǎn)/min時間測得波形如圖設(shè)定值從250轉(zhuǎn)/min躍變到1500轉(zhuǎn)/min時間測得波形如圖設(shè)定值從250轉(zhuǎn)/min躍變到2000轉(zhuǎn)/min時間測得波形如圖設(shè)定值從250轉(zhuǎn)/min躍變到2500轉(zhuǎn)/min時間測得波形如圖實驗